電化學(xué)氣體傳感器ppt課件

.,第14章氣體傳感器,.,14氣體傳感器,14.1概述氣體傳感器是將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。氣體傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多,性質(zhì)各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，按構(gòu)成氣體傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前實際使用最多的是半導(dǎo)體氣體傳感器。,.,半導(dǎo)體氣體傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體表面接觸時，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型。表面控制型：半導(dǎo)體表面吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變；體控制型：半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng)，使半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，而使電導(dǎo)率變化。,14.2半導(dǎo)體氣體傳感器。,.,按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性和場效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。,14.2半導(dǎo)體氣體傳感器。,.,14.2.1半導(dǎo)體氣體傳感器的機理半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳氫化合物和醇類，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。,.,當氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使半導(dǎo)體電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。,.,圖14-1N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化圖,.,14.2.2半導(dǎo)體氣體傳感器類型及結(jié)構(gòu)1.電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。,圖14-2半導(dǎo)體氣體傳感器的敏感元件(a)燒結(jié)型元件；(b)薄膜型元件,.,(c)厚膜型元件,.,10,燒結(jié)型SnO2氣敏元件其敏感體用粒徑很小(平均粒徑m)的SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測可燃的還原性氣體，其工作溫度約300。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。,（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件),由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。,.,11,（2）旁熱式SnO2氣敏元件,加熱器電阻值一般為3040,.,2.非電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣體傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容電壓特性的變化以及MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。由于類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。,.,(1)MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏元件制作過程是在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金屬薄膜，作為柵電極，如圖14-5(a)所示。,圖14-5MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路(a)結(jié)構(gòu)；(b)等效電路；(c)C-U特性,.,(2)MOS場效應(yīng)晶體管氣敏器件鈀-MOS場效應(yīng)晶體管(Pd-MOSFET)的結(jié)構(gòu)，參見圖14-6。,圖14-6鈀MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu),：常數(shù)UG：柵壓UT：ID是流過時的最小臨界電壓值,漏極電流：,在鈀MOS場效應(yīng)管中，UT會隨空氣中所含氫氣濃度的增高而降低。,.,15,14.3半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)（1）氣敏元件的電阻值將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為。一般其固有電阻值在(103105)范圍。測定固有電阻值時,要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行。由于經(jīng)濟地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進行測量。,.,16,（2）氣敏元件的靈敏度表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種,（a）電阻比靈敏度K（b）氣體分離度RC1氣敏元件在濃度為C1的被測氣體中的阻值：R2氣敏元件在濃度為C2的被測氣體中的阻值。通常，C1C2。（c）輸出電壓比靈敏度KVVa:氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出；Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出,Ra氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值；Rg氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中的電阻值,.,17,（4）氣敏元件的響應(yīng)時間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間，通常用符號tr表示。,（3）氣敏元件的分辨率表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為,Va氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓；Vg氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的電壓Vgi氣敏元件在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負載電阻的電壓,.,18,（5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率氣敏元件一般工作在200以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5；旁熱式的加熱電阻大于20。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用表示。一般在(0.52.0)W范圍。,（6）氣敏元件的恢復(fù)時間表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時,直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63時所需時間。,.,19,（7）初期穩(wěn)定時間長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體,導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負荷后,隨著元件溫度的升高,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此,使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài),需要一定的時間,稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時間。一般電阻型氣敏元件,在剛通電的瞬間,其電阻值將下降,然后再上升,最后達到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達穩(wěn)定所需時間,稱為初期穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時間越長,其初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下,氣敏元件存放兩周以后,其初期穩(wěn)定時間即可達最大值。,.,14.3氣體傳感器應(yīng)用半導(dǎo)體氣體傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點，從而得到了廣泛的應(yīng)用。按